JP6061283B2

JP6061283B2 - 多重電極の製造方法

Info

Publication number: JP6061283B2
Application number: JP2012010710A
Authority: JP
Inventors: 伸一三木; 智松澤
Original assignee: 株式会社リフトフォース; 飯田精密株式会社
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2032-01-23
Also published as: JP2013149550A

Description

本発明は、例えば、質量分析装置や電子顕微鏡のように、電子やイオンの軌道を調整するのに使用される多重電極の製造方法に関するものである。

質量分析装置に用いる多重電極は、装置内部で生成され、電気的に運動エネルギーが与えられたイオンの飛行軌道、挙動制御に必要な電場を形成するために、複数の電極を備えている。各電極を構成する電極棒の表面の一部乃至全部を、チタン、モリブデン、ニッケル等の耐腐食性が高く、膨張係数の低い導電性金属材料で形成している。そして各電極に電圧を印加するために、セラミック、樹脂材等の絶縁材からなる電極支持部材に各電極棒が所定の間隔で対向するようにネジ等の固定部材にて固定した上で、真空チャンバー内に配置されている。

これらの電極棒と絶縁材からなる電極支持部材は、それぞれ高精度に加工し、位置決めピン、位置出し用治具等を用いて組立てられ、位置決め精度を確保するようにしている。しかしながら、複数の電極棒を絶縁支持部材に取り付け、多重電極を組立てた場合、各部品の加工誤差等の累積誤差は無視できず、これが多重電極の性能、生産性の低下を招いている。

図１は、従来の一般的な多重電極の構成例である四重電極の外観構成例を示す図である。本四重電極１０１は４本の電極棒１０２を備え、各電極棒１０２をセラミックや樹脂材等の絶縁材料からなる円環状の電極支持部材１０３の内周面に設けた電極取付凹部１０３ａに配置し、ネジ等の取付部材１０４で取り付け固定している。４本の電極棒１０２の上下、左右に対向する表面は電場を形成するのに適した形状（例えば断面双曲線状の双曲面）に加工し、該加工した表面が互いに対向するように位置決めして電極支持部材１０３に取り付け固定している。対向する２本（上下、及び左右）の電極棒１０２に、それぞれ１８０°位相の異なる高周波電圧を印加することにより、４本の電極棒１０２で囲まれた空間に図２に示すように、双曲線電場１０８が形成されている。なお、電極棒１０２の電場を形成する部分の表面を断面双曲線状とすると、電極近傍まで双曲線電場が形成されるが、加工、組立の容易さから、電極棒１０２を円柱状とすることが多い。円柱状の電極棒１０２を用いる場合、電極に近い領域は双曲電場に乱れが生じるため、電極棒１０２の電場形成部分を双曲線面とする場合に比較して有効電場の範囲が狭くなる。

図３は、従来の一般的な多重電極の構成例である四重電極の外観構成例を示す図である。本四重電極１０５は４本の電極棒１０６を備え、各電極棒１０６をセラミックや樹脂材等の絶縁材料からなる矩形環状の電極支持部材１０７の内周面に設けた電極取付平坦部１０７ａに配置し、ネジ等の取付部材１０４で取り付け固定している。各電極棒１０６は断面矩形状の角棒の一辺の面を電場を形成するのに適した形状（例えば断面双曲線状の双曲面）に加工し、この電極棒１０６の双曲面に加工した表面が互いに対向するように位置決めして取り付け固定している。対向する２本（上下、及び左右）の電極棒１０６に、それぞれ１８０°位相の異なる高周波電圧を印加することにより、４本の電極棒１０６で囲まれた空間に図４に示すように、双曲線電場１０９が形成される。ここで理想的な双曲線電場を形成するためには、４本の電極棒１０６を、その双曲線の頂点が正確に四重電極の中心軸に向くように配置して組立てる必要があるが、これは困難で多重電極の性能、生産性の低下を招く。

図５は、特許文献１に開示された多重電極の断面構成を示す図である。本多重電極１１０は、対向する４つの内面が断面双曲線状に突出した形状の石英管１１１の該突出した４つの内面にそれぞれ電極となる導電性ストリップ１１２を形成した構成である。上下対向する２個（上下、及び左右）の導電性ストリップ１１２に、それぞれ１８０°位相の異なる高周波電圧を印加することにより、４本の導電性ストリップ１１２で囲まれた空間に図４と略同様、双曲線電場が形成される。

特開昭６３−１５２８４６号公報特開平８−９６７０９号公報

図１に示す構成の多重電極において、電極棒１０２の電場形成部分を断面双曲線の双曲面に加工した電極（以下「双曲電極」という）を使用する場合も、円柱状の電極棒１０２の電極（以下「円柱電極」という）を使用する場合のどちらの場合も、電極を高精度に加工した後、同じく高精度に加工した電極支持部材１０３に電極棒１０２をネジ等の取付部材１０４にて固定し、高い位置決め精度を確保しなければならないが、各構成部品の加工誤差、ならびに組み立て後の累積誤差により、位置決め精度、及び再現性を確保することは容易ではなく、通常数十ミクロン程度の誤差が生じる。しかしこれは、質量分析の性能に大きな悪影響を与える要因となる。また、円柱状の電極棒１０２を電極支持部材１０３に固定する場合は、上記のように構造が最も簡単であり、コスト的観点が実施されている例が多いが、感度、分解能等の点で問題がある。また、図３に示す構成の多重電極も、高精度に加工した４本の電極棒１０６を、同じく高精度に加工した電極支持部材１０７にネジ等の取付部材１０４で固定するので、上記図１に示す構成の多重電極と同様な問題がある。

また、特許文献１に開示されたものは、図５に示すように石英管をその対向する４つの内面が断面双曲線状に突出した形状に形成するために、真空中で所要の形状のマンドレル上で転写成形する必要があり、高い精度で転写成形することが困難であるという問題がある。更に、製造工程において焼成を行うために管状材質として耐熱性の高い石英やセラミックしか使用できず材料コストが高くなるという難点がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、対向する電極棒間の寸法、平行度を高精度に確保し、電極棒母材の電場形成空間に対向する部分の面のみを電場形成に適正な断面が双曲線状の曲面に高精度に加工した多重電極の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明は、複数本の金属材からなる電極棒と、絶縁材料からなる１個又は複数個の環状の電極支持部材とを具備し、前記１個又は複数個の電極支持部材の内周に前記複数本の電極棒を等間隔で且つ互いに平行になるように取り付け、前記複数本の電極棒の対向する電極棒に電圧を印加することにより、前記複数本の電極棒で囲まれた電場形成空間に電場を形成する多重電極の製造方法であって、前記複数本の電極棒の母材として同数の円柱状の金属電極棒母材を用意し、前記電極支持部材の前記電極棒を取り付ける位置に前記金属電極棒母材の断面半径と同一半径の円弧状の電極棒母材嵌合凹部を形成し、前記電極支持部材の電極棒母材嵌合凹部に金属電極棒母材を溶着又はロウ付けにより固着して取り付けて各電極棒母材が互いに平行で且つ所定の間隔をおいて対向して位置する電極棒母材組立体を製造する工程と、前記電極棒母材組立体の各金属電極棒母材の前記電場形成空間に対向する部分の面のみを非接触加工によりその断面が双曲線状の電場形成曲面に形成すると共に、前記電場形成曲面の頂部は前記電場形成空間の中心軸を向くように形成する工程とを具備することを特徴とする多重電極の製造方法にある。

上記のように電極支持部材の電極棒を取り付ける位置に金属電極棒母材の断面半径と同一半径の円弧状の電極棒母材嵌合凹部を形成し、電極支持部材の電極棒母材嵌合凹部に金属電極棒母材を溶着又はロウ付けにより固着して取り付けて電極棒母材組立体を製造し、電極棒母材組立体の各金属電極棒母材の電場形成空間に対向する部分の面のみを非接触加工により電場形成に適正な電場形成曲面に形成するので、従来のように各電極棒母材に電場形成曲面を形成した後、該電極棒の電場形成曲面が正確に電場形成空間に対向するように、１個又は複数個の電極支持部材に組み込むのと異なり、組み込み誤差が生じることなく、電場形成曲面が高精度で電場形成空間に対向配置された多重電極となる。また、電場形成曲面の形成工程に際して、電極棒母材組立体の電極支持部材の電極棒取付部に機械的力が作用することなく、電場形成空間に対向する位置に適正で且つ精度良く対向した電場形成曲面を形成できる。

また、従来のように、精密加工により電場形成曲面を形成した電極棒を１個又は複数個の電極支持部材の電極棒取付部に固着する場合、固着力の優れた溶着又はロウ付けを行うと電極棒に熱応力が加わり、位置ずれが発生するため、溶着又はロウ付けによる固着はできず、固着力の劣るネジ止め等の機械的締め付け固着に限定されるが、本発明では、電極支持部材の電極棒を取り付ける位置に金属電極棒母材の断面半径と同一半径の円弧状の電極棒母材嵌合凹部を形成し、電極支持部材の電極棒母材嵌合凹部に金属電極棒母材を溶着又はロウ付けにより固着して取り付けるので、各電極棒母材を１個又は複数個の電極支持部材の電極棒取付部に優れた固着力を発揮する溶着又はロウ付けにより固着後、電場形成曲面を形成するので、電場形成曲面の位置ずれの心配はない。

また、本発明は、上記多重電極の製造方法において、前記非接触加工はワイヤー放電加工であり、前記電極棒母材組立体をワイヤー放電加工機に位置決め固定した後、前記電場形成曲面をワイヤー放電加工により加工形成したことを特徴とする。

電極棒として好適なモリブデン、チタン等の膨張係数の低い材料は難切削であり、切削、研削加工コストに大きく影響するが、ワイヤー放電加工は非接触加工であり、電極棒母材組立体の電極棒母材にこのような難切削材を用いても、電極棒母材の適正な位置に高精度で電場形成曲面を加工形成できる。

本発明によれば、各電極棒は、電極支持部材の電極棒を取り付ける位置に金属電極棒母材の断面半径と同一半径の円弧状の電極棒母材嵌合凹部を形成し、電極支持部材の電極棒母材嵌合凹部に金属電極棒母材を溶着又はロウ付けにより固着して取り付けて電極棒母材組立体を製造し、電極棒母材組立体の各金属電極棒母材の電場形成空間に対向する部分の面のみを非接触加工によりその断面が双曲線状の電場形成曲面に形成し、電場形成曲面の頂部は電場形成空間の中心軸を向くように形成したので、電場形成空間に対向する適正位置に各電極棒の電場形成曲面が位置ずれなく形成でき、電場形成空間に適正な電場を形成することができる多重電極を製造することができる。

従来の多重電極の構成例を示す外観図である。図１に示す多重電極の断面図である。従来の多重電極の構成例を示す外観図である。図３に示す多重電極の断面図である。特許文献１に開示された多重電極の断面図である。本発明に係る多重電極の構成例を示す図で、図６（ａ）は外観斜視図、図６（ｂ）は断面図である。本発明に係る多重電極の製造例を示す図で、図７（ａ）は外観図、図７（ｂ）は断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図６は本発明に係る多重電極の構成例を示す図で、図６（ａ）は外観斜視図、図６（ｂ）は断面図である。ここでは４本の電極棒を備えた四重電極を例に説明するが、本発明に係る多重電極の本数は４本に限定されるものではない。本多重電極１は４本の電極棒２と、２個の電極支持部材３を備えている。電極支持部材３はセラミック又は樹脂等の絶縁材からなる円板状部材の中央部に矩形状又は円形状の穴を設け、該穴の上下内面及び左右内面に円弧状の電極棒嵌合凹部３ａを形成し、更に電極棒嵌合凹部３ａと３ａの間に円弧状凹部３ｂを形成した形状である。

電極棒２はモリブデン、チタン等の耐腐食性が高く線膨張係数の低い金属材料で構成された円柱状の棒部材であり、該電極棒２の断面円形の半径は電極支持部材３の電極棒嵌合凹部３ａの半径と同一で該電極棒２の外周面は電極棒嵌合凹部３ａの内周面に密接するようになっている。２個の電極支持部材３の電極棒嵌合凹部３ａに４本の円柱状の電極棒２を嵌合させ、それぞれの嵌合部を、例えば溶着、ロウ付け等により強固に固着する。このとき図６（ｂ）の上下、左右に対向して配置された４本の円柱状の電極棒２は互いに高精度の平行度、間隔で対向し、且つ両端が揃うように所定の間隔を設けて対峙した２個の電極支持部材３に固着される。そして後述するように上下、左右の電極棒２の互いに対向する面は固着後、その横断面が双曲線状となる双曲面２ａに加工形成されている。また、該双曲面２ａの反対側の面は円柱のままの円弧面となっている。

図７は本発明に係る多重電極１の製造方法を説明するための図で、図７（ａ）は電極棒母材組立体の外観図、図７（ｂ）は電極棒母材組立体の横断面図である。図示するように、電極棒２となる４本の電極棒母材２’を２個の電極支持部材３の電極棒嵌合凹部３ａに嵌め込み、溶着、ロウ付け等により固着して電極棒母材組立体７を製造する。この電極棒母材組立体７はその断面構成が図７（ｂ）に示すように、電極棒母材２’を上下、左右に対向して配置し、４本の円柱状の電極棒母材２’は互いに高精度の平行度と間隔で対向している。そして電極棒母材組立体７の電極支持部材３を、図７（ａ）の矢印１０に示すように治具（図示せず）等で挟持し、垂直に位置決めしてワイヤー放電加工機（図示せず）に固定する。そして放電ワイヤー８を４本の電極棒母材２’で囲まれた空間の垂直方向に通して配置する。

その後、ワイヤー放電加工により電極棒母材２’の対向面を図７（ｂ）に示す双曲線状の破線２ａ’の位置まで切削することにより、図６（ｂ）に示すように、上下、左右に対向する電極棒母材２’の断面が双曲線状の双曲面となる。このようにして４本の双曲面を有する電極棒２で構成された本多重電極１が製造される。

図７（ａ）において、絶縁材からなる電極支持部材３、３の外周は、本多重電極１を質量分析装置に取り付ける際の嵌め合い基準位置となるため、電極支持部材３、３の外周中心と、加工された双曲面２ａの中心が一致しなければ良好な性能は得られない。よって図示しないワイヤー放電加工機に電極棒母材組立体７を取り付ける際、電極支持部材３、３の外周中心が加工の中心となるように取り付けた上で、ワイヤー放電加工を行うことで、中心位置を確保することが可能となる。

このワイヤー放電加工に際し、被加工物である電極棒母材２’には機械的力は作用せず、また、各電極棒母材２’は２個の電極支持部材３の電極棒嵌合凹部３ａに溶着、ロウ付け等により強固に固着されているので、加工に際して電極棒母材２’は変位することなく、高精度で双曲面２ａが加工できる。これにより、対向する面が双曲面の４本の電極棒２のその双曲面の頂点が正確に四重電極の中心軸に向くように配置されることになり、理想に極めて近い双曲線電場を４本の電極棒２に囲まれた空間に形成できる。

本多重電極１では、電極となる電極棒２と２の間をイオンが通過する構造であり、上下、左右に対向する電極棒２と電極棒２との間には高い平行度が要求される。同時に電極棒２と電極棒２の相対距離も重要となる。これを従来技術で実現する場合、それぞれの構成部品を加工した後、位置出し治具を用いて組み立てを行うが、電極間の平行度と相対位置を正確に調整することは困難である。これに対して、本願発明に係る加工方法では、それぞれの円柱状の電極棒母材２’を仕上げ代を残した形状で荒加工し、該電極棒母材２’を電極棒母材２’に固着した後、ワイヤー放電加工により、各電極棒母材２’の仕上げ代部分をカットし、必要精度を確保することが可能となる。

上記構成の多重電極１を質量分析装置に取り付け、イオンの分離を行なうときは、４本の電極棒２の相対する１組の電極（例えば、図６（ｂ）の左右の電極）に対して正の直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧が印加され、他の１組の電極（例えば、図６（ｂ）の上下の電極）には負の直流電圧に先の高周波電圧の位相を１８０°ずらした高周波電圧を印加する。そして４本の電極棒２で囲まれた空間にイオン源から発射された各種イオンが長軸方向に導入されると、重い質量のイオンは直流電圧に誘引されて電極棒２に捕集され、軽い質量のイオンは高周波電圧に誘引されて同様に電極棒２に捕集される。その結果、適当な中間の質量のイオンのみが４本の電極棒２の中心軸近傍を反対側に抜けることになる。このとき本多重電極１では、上記のように電極支持部材３、３の外周中心と、電極棒２の多重電極１の双曲面２ａの中心が一致し、４本の電極棒２の双曲面の頂点が高精度で４本の電極棒２に囲まれた空間の中心軸に向くので、精度の良いイオンの分離が可能となる。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。例えば上記実施例では、非接触加工としてワイヤー放電加工を例に説明したが、非接触加工であれば、ワイヤー放電加工に限定されるものではない。また、上記実施形態では、電極棒母材２’を電極支持部材３の電極棒嵌合凹部３ａに固着するのに溶着、ロウ付け等により固着した後、電極棒母材２’の電場形成空間に対向する面に双曲面２ａ等の電場形成面を加工形成したが、電極棒母材２’を電極支持部材３の電極棒嵌合凹部３ａに固着後に電場形成面を加工形成するのであれば、電極棒母材２’を電極棒嵌合凹部３ａにネジ等で強固に固着後、双曲面２ａ等の電場形成面を加工形成してもよい。
なお、直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造であっても、本願発明の作用効果を奏する以上、本願発明の技術範囲である。

本発明は、円柱状の電極棒母材を電極支持部材の電極棒取付部に溶着又はロウ付けにて固着して取り付けて電極棒母材組立体を製造し、電極棒母材組立体の各電極棒母材の電場形成空間に対向する面を電場形成に適正な電場形成曲面、例えば双曲面に形成したので、電場形成空間に対向する適正位置に電場形成曲面が位置ずれなく形成でき、電場形成空間に適正な電場を形成することが可能な多重電極、及びその製造方法として利用することができる。

１多重電極
２電極棒
２’電極棒母材
２ａ双曲面
３電極支持部材
７電極棒母材組立体
８放電ワイヤー

Claims

複数本の金属材からなる電極棒と、絶縁材料からなる１個又は複数個の環状の電極支持部材とを具備し、前記１個又は複数個の電極支持部材の内周に前記複数本の電極棒を等間隔で且つ互いに平行になるように取り付け、前記複数本の電極棒の対向する電極棒に電圧を印加することにより、前記複数本の電極棒で囲まれた電場形成空間に電場を形成する多重電極の製造方法であって、
前記複数本の電極棒の母材として同数の円柱状の金属電極棒母材を用意し、
前記電極支持部材の前記電極棒を取り付ける位置に前記金属電極棒母材の断面半径と同一半径の円弧状の電極棒母材嵌合凹部を形成し、
前記電極支持部材の電極棒母材嵌合凹部に金属電極棒母材を溶着又はロウ付けにより固着して取り付けて各電極棒母材が互いに平行で且つ所定の間隔をおいて対向して位置する電極棒母材組立体を製造する工程と、
前記電極棒母材組立体の各金属電極棒母材の前記電場形成空間に対向する部分の面のみを非接触加工によりその断面が双曲線状の電場形成曲面に形成すると共に、前記電場形成曲面の頂部は前記電場形成空間の中心軸を向くように形成する工程とを具備することを特徴とする多重電極の製造方法。
請求項１に記載の多重電極の製造方法において、
前記非接触加工はワイヤー放電加工であり、
前記電極棒母材組立体をワイヤー放電加工機に位置決め固定した後、前記電場形成曲面を放電加工により形成することを特徴とする多重電極の製造方法。